monopolo

Peter Higgs predijo la existencia de lo que eventualmente se llamaría la “partícula de Dios”, más de 50 años antes de que finalmente ocurriera. Esta partícula ayuda a entender por qué las cosas tienen masa, por ejemplo.

Pues bien, Dirac, hace muchos más años, predijo el monopolo magnético, una partícula que no ha sido hallada y que se ha buscado insistentemente.

Para entender de lo que hablemos, pensemos en el monopolo eléctrico. No tiene nada de especial porque simplemente es una carga eléctrica.

Sabemos que las cargas eléctricas opuestas se atraen y las de carga igual se repelen dentro de la interacción con el campo eléctrico.

La interacción en el campo eléctrico corre de las partículas positivas a las negativas aunque esto de positivo y negativo sea arbitrario -y si no me equivoco, fueron etiquetadas las cargas así por Benjamín Franklin. Así entonces, los monopolos eléctricos existen en la forma de partículas que tienen carga positivas o negativas, como pueden ser los protones y neutrones.

Por otra parte, el magnetismo parece ser muy similar a la electricidad -como nos mostró Maxwell, y sabemos de la existencia del campo magnético que tiene una dirección definida, de norte a sur. Sin embargo, las analogías de la electricidad dejan de funcionar en el magnetismo cuando vemos que no se han observado monopolos magnéticos.

Pensemos en un imán. Existe con dos polaridades, norte y sur. Cuando dividimos una imán en forma de barra a la mitad, no tenemos un polo norte y otro sur separado, sino que tenemos dos barras a la mitad que cada una tiene dos polos, el norte y el sur. Podemos volverlos a dividir las veces que queramos y hallaremos de nuevo dos polos magnéticos, norte y sur. Incluso, si se divide un imán en sus partículas individuales, tendremos como resultado un dipolo magnético.

Las “reglas del juegos” de la electricidad y magnetismo fueron publicadas por James Maxwell durante 1861 y 1862, y hoy en día se usan en todos los niveles prácticos de la ingeniería. Pero una de las ecuaciones del magnetismo, la ley de Gauss, dice que no existen los monopolos magnéticos.

Los físicos atribuyen el magnetismo al movimiento de las cargas eléctricas. Cuando una partícula cargada eléctricamente se mueve a lo largo de una trayectoria, como un electrón moviéndose en un cable, tenemos una corriente eléctrica. Esto induce un campo magnético que cubre sobre la dirección de la corriente y gira (y su dirección va de acuerdo con la regla de la mano derecha).

¿Cuál es la razón de este campo inducido? No se tiene una respuesta definitiva. Simplemente se sabe que esto ocurre y de hecho, esta observación es el principio de los motores eléctricos.

La segunda causa del magnetismo involucra una propiedad de la mecánica cuántica llamada “spin”. No es fácil entender cómo es que una partícula eléctrica cargada rota sobre su eje en lugar de moverse en una dirección particular. Pero este giro genera un momento angular en la partícula, causando que el electrón actúe como un dipolo magnético (un pequeñísimo mini-imán). Esto significa que podemos describir el fenómeno magnético sin necesitar los monopolos magnéticos.

Sin embargo, aunque nuestra visión clásica del electromagnetismo funcione, no significa que no pueda haber monopolos magnéticos. Lo único que podemos decir es que no los hemos observado. Y hay razones para creer que deberían existir.

Por ejemplo, en 1894, Pierre Curie, Premio Nobel, discutió la posibilidad de que hubiese una partícula así pues no hallaba razón para descontar su existencia. Ya en 1931, Paul Dirac, también Nobel, mostró que las ecuaciones de Maxwell pueden ser extendidas para incluir un monopolo magnético. Dirac hizo algo más, su trabajo lo llevó a mostrar que la electrodinámica clásica y cuántica eran teorías compatibles entre sí.

Finalmente, los físicos no se pueden resistir a la simetría y su belleza en la naturaleza y la existencia del monopolo magnético podría implicar la dualidad entre electricidad y magnetismo, lo cual haría muy felices a las teorías de los físicos por la consistencia que se presentaría. Decimos que dos teorías diferentes pueden ser relacionadas de tal manera que un sistema es análogo a otro.

Y si éste fuese el caso de las fuerzas eléctricas con las fuerzas magnéticas, entonces podríamos quizás hallar otras fuerzas que fuesen análogas unas con otras. Tal vez entonces podríamos hallar algo que relacionada la fuerza nuclear débil con la fuerte y se estaría mucho más cerca de la gran teoría de la unificación (de las fuerzas), tema en el que incluso Einstein falló.

Hay que decir, sin embargo, que solamente porque una teoría tiene una simetría que nos es atractiva, no quiere decir que deba de ser así o que sea correcta. No obstante esto, la idea del monopolo magnético es tan atractiva que se han intentado construir estructuras en los laboratorios que muestren estas elusivas partículas, si es que existen.

Pero aún así, no se han hallado estos monopolos y como el doctor Fernando Magaña, del Instituto de Física de la UNAM, en sus clases de electromagnetismo una vez me dijo: “eso parece ser física de duendes”.

Entre los esfuerzos más notables para hallar el monopolo magnético es el equipo instalado en el colisionador de hadrones de Suiza, el Detector de Monopolos y otras partículas exóticas (The Monopole and Exotics Detector at the Large Hadron Collider o MoEDAL). Sin embargo, no hay resultados favorables y nada ha sido hallado.

La razón de esto podría ser que la masa calculada para el monopolo magnético es de 1014 TeV, lo cual significa que sería una partícula de una enorme masa y que solamente podría haberse producido en los inicios del Universo, inmediatamente después del Big Bang. Pero si el Universo se enfrió lo suficiente, quizás llegó a un punto en donde no es posible tener esa cantidad de energía disponible para crearlos y detectarlos.

Todo esto, sin embargo, siguen siendo especulaciones educadas de la ciencia. Quizás surja el experimento notable que encuentre la partícula en cuestión. Higgs ya nos demostró que el bosón que él predijo existía, aunque hayan tardado 50 años en detectarlo. ¿No podría ser el caso similar al del monopolo?

Referencias: Phys.org 

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